Noções de Sistema de
Informações Geográficas:
Sistema GPS
José Fernandes Bezerra Neto, MSc.
[email protected]
UFMG – ICB – Depto. Biologia Geral, Lab. Gestão Ambiental de Reservatórios
Sistema de Posicionamento Global - GPS
 O GPS (Global Positioning System) é um sofisticado
sistema eletrônico de navegação desenvolvido pelo
Departamento de Defesa dos EUA, baseado em uma
rede de satélites que permite localização instantânea
em qualquer ponto da Terra.
 Seu desenvolvimento iniciou em 1978, tendo sido
projetado inicialmente para uso militar dos EUA.
Basicamente, o sistema GPS é composto de três partes
denominadas segmento espacial, segmento de
controle e segmento usuários.
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Sistema de Posicionamento Global - GPS
1978 – Satélites NAVSTAR – GPS
• GPS: “Global Positioning System”
• Limitado às forças militares dos E.U.A.
• Precisão: 10 m
• Receptor simples e leve
1983 – Acesso público limitado ao GPS
• Precisão para civis: 100 m
• SA: “Selected Availability”
2000 – Acesso público completo ao GPS
• Precisão normal: 10 m
• Precisão assistida (GPS diferencial): < 3 m
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Sistema de Posicionamento Global - GPS
Garante:
 Precisão de Navegação = 3 - 15 m
 Cobertura mundial
 24 horas de acesso
 Sistema de Coordenadas Comum
 Datum WGS 84
 Projetado para substituir os
sistemas de navegação existentes
 Acesso Civil e Militar
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Componentes do Sistema GPS
Segmento Espacial
27 satélites (20200 km)
4 relógios atômicos (3 backups) monitorados e
controlados em terra
Segmento do Usuário
Receptores de Sinal GPS
Relógio de quartzo
Segmento de Controle
1 Estação Master
5 Estações de monitoramento
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Segmento Controle
• correção dos relógios atômicos dos satélites
• definição os modelos ionosféricos
• estimar parâmetros orbitais
Estação Central de Controle
• garantir a integridade do sistema
• coordenar manobras e monitorar a saúde dos satélites
Colorado Springs
Hawaii
Kwajalein
Diego Garcia
Ascención
• receber os sinais emitidos dos satélites
• coletar dados meteorológicos
• transmitir dados para a Estação Master
Estações Monitoras
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Funcionamento do GPS
 A finalidade do GPS é determinar a posição de
um objecto na superfície da Terra em 3
dimensões: longitude, latitude e
e altitude.
 Sinais provenientes de 3 satélites fornecem esta
informação.
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O princípio da trilateração (2D)
 Imagine que você esteja em algum lugar do Brasil e que esteja
TOTALMENTE perdido.
 Você encontra uma pessoa que lhe dá a seguinte informação:
“Você está a 50 km de Campinas”
 Você poderia estar em qualquer lugar em um círculo em voltada
de Campinas, com um raio de 50 Km.
50 Km
Campinas
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O princípio da trilateração (2D)
Você pergunta a uma outra pessoa que lhe diz: Você está a 70 Km
de Rio Claro.
70 Km
Rio Claro
50 Km
Campinas
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O princípio da trilateração (2D)
Se uma terceira pessoa lhe disser que você está a 80 Km de
Sorocaba você poderá determinar sua posição com precisão
70 Km
Rio Claro
50 Km
Campinas
80 Km
Sorocaba
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Funcionamento do GPS
Três esferas se interceptam em um ponto. 3 distâncias
para resolver a Latitude, a Longitude e a Elevação.
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Funcionamento do GPS
 Uma dificuldade: o
relógio do receptor
não é tão preciso
como os relógios
atômicos
dos
satélites. Por isso,
um sinal de um 4º
satélite é utilizado
para averiguar da
precisão do relógio
do receptor. Este 4º
sinal permite ao
receptor processar
os sinais GPS com a
precisão
de
um
relógio atômico.
A 4ª medição permite resolver
(remover) o erro do clock
(tempo) do receptor
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Funcionamento do GPS
4 distâncias para encontrar a Latitude, a Longitude, a
Elevação e o Tempo
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Funcionamento do GPS
 Dificuldades a superar: os sinais trocados entre
relógios a diferentes altitudes estão sujeitos aos
efeitos da Relatividade Geral; por outro lado, o
movimento do satélite e a rotação da Terra devem
ser tomados em conta.
 Sem a consideração destes efeitos o GPS seria
inútil.
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Estrutura do sinal GPS
 Cada satélite transmite uma série de sinais
 Os sinais compreendem:
- 2 ondas - L1 e L2)
- 2 códigos - C/A em L1 e P em L1 e em L2 (P1 e P2)
- Mensagens sobre os satélites e sua órbita
Freqüência
fundamental
10.23 MHz
x 154
x 120
50 bps
÷ 10
L1
Código C/A
1575.42 MHz 1.023 MHz
Código P
10.23 MHz
L2
1227.60 MHz
Código P
10.23 MHz
Mensagens (Almanaque & Efemérides)
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Componentes dos sinais dos satélites
 Os satélites GPS são sistemas unidirecionais de
emissão, isto é, os sinais são transmitidos somente
pelos satélites. Os sinais se propagam das antenas
dos satélites até as antenas dos receptores.
Durante a propagação, os sinais estão sujeitos aos
seguintes efeitos:
 Atraso de propagação na ionosfera e troposfera;
 Efeito de multi-encaminhamento;
 Efeitos marginais de sinais, devido a posição do
satélite no horizonte;
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Erros de observação
 Os sinais GPS transmitem as
informações de tempo via ondas
de rádio.
 Os
sinais
GPS
precisam
atravessar
várias
camadas
diferentes da atmosfera.
 A medida que elas atravessam
essas camadas, o sinal sofre
atraso.
19950 Km
1000 Km
50 Km
Ionosfera
Troposfera
 Esses atrasos são traduzidos em
erros nas distâncias usadas para
calcular a posição do receptor.
 Erro – Ionosfera ~ 5.0 m;
Troposfera ~ 0,5 m
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Erros do receptor
 Infelizmente os receptores não são
perfeitos. Eles adicionam erros ao
sistema.




F1
F2
ESC
F3
F4
SFT
F5
F6
CE
Ruído interno do receptor.
Erro ~ 0. 3 m
Atraso do relógio interno
Erro ~ 5. 0 m
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Erros de multi-encaminhamento
 Quando um sinal GPS chega
a Terra ele pode refletir-se
em vários obstáculos.
 Inicialmente a antena recebe
o sinal direto do satélite, em
seguida, ela recebe os sinais
refletidos.
 Erro ~ 0.6 m
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GPS Diferencial - DGPS
 DGPS
envolve a
cooperação de dois
receptores, um que
é estacionário e
outro móvel;
 O estacionário é a
chave
de
todo
processo, ele serve
de referência local
para as medições
dos satélites.
A
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Ambiental
B
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GPS Diferencial - DGPS
 A idéia por trás
do DGPS é
simples: nós
temos um
receptor que
mensura o erro
do sinal do
satélite e que
transmite a
correção para o
transmissor
móvel.
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GPS Diferencial – Estações-base
 Existem uma série de
estações-base
públicas e privadas
que transmitem
correção de dados
para receptores
DGPS.
 No Brasil, entre as
públicas e gratuitas
nós temos:
- A Rede Brasileira de
Monitoramento
Contínuo (RBMC),
mantida pelo IBGE;
- Rede INCRA de
Bases Comunitárias
do GPS
- Estações-base da
Marinha
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GPS Diferencial - DGPS
 Correção em
tempo real via
satélite
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